بخشی از مقاله
چكيده:
با توجه به كار برد وسيع چدنهاي نشكن در صنايع كه مي تواند جايگزين مناسبي براي برخي از فولادها باشد لذا اهميت اين موضوع سبب گرديده كه در اين زمينه تحقيقات فراواني صورت گيرد.
در اين پروژه اثر مس بر ريز ساختار و خواص مكانيكي چدنهاي نشكن مورد بررسي قرار گرفته است. ريز ساختار نمونه هاي مورد آزماش در دو حالت قبل از اچ و پس از اچ بررسي و اثر اين عنصر بر ساختار و خواص مكانيكي پرداخته شده است.
مقدمه:
هدف از انجام آزمايش:
در اين آزمايش سعي شده كه به اين سؤال پاسخ داده شود كه به علت افزايش سختي در اثر افزودن مس در چدنهاي نشكن چيست. لذا لازم مي باشد كه مختصري در مورد چدنهاي نشكن نكاتي يادآوري شود.
1-1 چدن با گرافيت كروي:
چدنهاي نشكن يا چدنهاي گرافيت كروي، خانواده اي از چدنها هستند و همانطور كه از اسمشان پيداست شكل گرافيت در آنها كروي است. همين كروي بودن گرافيت ها، باعث افزايش استحكام و چقرمگي در مقايسه با چدنهاي با گرافيت ورقه اي مي گردد. اصولاً چدن نشكن با افزودن منيزيم Mg در مذاب، توليد مي شود. براي كروي شدن گرافيت هاي قطعاتي كه در قالبهاي ماسه اي توليد مي شوند مقدار 0.07 – 0.04% منيزيم باقيمانده در قطعات ريخته شده كافي مي باشد.
براي قطعاتي كه در قالبهاي فلزي توليد مي شوند مقدار % 0.02 منيزيم باقيمانده كافي مي باشد. همانطور كه گفته شد براي كروي نمودن گرافيتها، به منيزيم احتياج داريم كه اگر ميزان منيزيم از حد مورد نظر كمي كمتر باشد، گرافيتهاي فشرده با استحكام و چقرمگي پائين تري بدست مي آيد. اصولاً چدن نشكن در مقايسه با چدن گرافيت ورقه اي، تمايل به تبريد بيشتري دارد و براي بدست آوردن ساختار عاري از كار بيد مخصوصاً در مقاطع نازك، لازم است جوانه زايي با آلياژ سيليسيم si انجام شود.
اندازه گرافيت كروي مي تواند روي خواص مكانيكي تأثير بگذارد. اندازه گرافيت ها به دو پارامتر بستگي دارد:
1- آهنگ سرد شدن يا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازك سريع سرد مي شوند، تعداد بيشتري گرافيت كروي خواهند داشت.
2- جوانه زني با آلياژ سيليسيم، افزايش تعداد گرافيت كروي و كاهش تمايل به تبريدي بودن مخصوصاً در مقاطع نازك را باعث مي شود. افزايش مقدار جوانه زا باعث افزايش تعداد گرافيتهاي كروي مي شود.
در حين ريخته گري اين نوع چدن مي توان به ساختار زمينه فريت، پرليت، مخلوط فريت و پرليت، آستنيت، بينايت و مار تنزيت دست يافت. چدنهاي نشكن پرليني استحكام بالايي دارند ولي چقرمگي آنها كمتر است. چدنهاي نشكن فريتي – استحكام كمتري دارند ولي ازدياد طول مبني آنها بيشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.
2-1 كروي سازي گرافيت
در حال حاضر، در تمام كارخانه ها، براي كروي نمودن گرافيتهاي چدن نشكن از منيزيم، استفاده مي گردد. در ضمن عناصر جزئي مانند سريم و عناصر خاكي نادر موجود در آلياژ فروسيليكو منيزيم Fe-Si-Mg براي خنثي كردن عناصر جزيي مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زايي، اهميت زيادي دارند.
روش افزودن منيزيم به روشهاي مختلف اعم از ساده و پيچيده مي باشد. در انتخاب يكي از روشها براي يك كارگاه معين بايد فاكتور هاي زيادي مورد نظر قرار گيرد و در بين آنها مهمترين فاكتورها با تعيين اولويتها مشخص گردد. فاكتورهاي اصلي به قرار زير مي باشند:
1. روش انتخاب شده نبايد با ايجاد نور و دود همراه باشد.
2. قيمت تمام شده چدن توليدي بايد حداقل باشد.
3. روش نبايد احتياج به سرمايه گذاري زياد در تجهيزات داشته باشد.
4. كيفيت چدن توليدي بايد مطلوب باشد.
5. روش بايد توانايي ريختن قطعات با وزن هاي مختلف را دارا باشد.
براي توليد چدن نشكن مرغوب بايد كنترل دقيق به عمل آيد تا مقدار منيزيم باقيمانده كم يا زياد نباشد. از آنجائيكه دما و تركيب شيمياي براي بازيابي منيزيم موثر ميباشند، فرآيند و مواد مناسب كروي سازي مطلوب، بزرگترين عوامل بالقوه براي تغييرات منيزيم باقيمانده مي باشندو
3-1 مشكلات افزودن منيزيم
افزودن منيزيم و آلياژ آن در مذاب چدن
مشكلاتي در پي دارد كه تا كنون در تمام روشهاي كروي نمودن كاملاً حل نشده است.
ميزان پائين حلاليت: منيزيم بمقدار خيلي كم در مذاب چدن حل مي شود. بنابراين آلياژ منيزيم با آهن بصورت فرومنيزيم Fe- Mg به هيچ وجه مورد استفاده قرار نمي گيرد.
نقطه جوش پائين: وارد كردن منيزيم خالص به چدن مذاب مشكل مي باشد زيرا منيزيم در درجه حرارت 1102 مي جوشد كه خيلي پائين تر از حرارت مذاب مي باشد. بعلاوه فشار بخار زياد منيزيم در دماي كروي نمودن، حلاليت را بسيار دشوار مي سازد.
وزن مخصوص: وزن مخصوص منيزيم كه خيلي پائين تر از وزن مخصوص چدن است. چون منيزيم سبكتر است روي سطح مذاب مي آيد كه باعث جوشيدن و اكسيد شدن منيزيم و نتيجتاً كاهش راندمان بازيابي مي گردد.
4-1 اهميت جوانه زايي:
جوانه زايي چدنها با آلياژ سيليسيم به دلايل زير انجام مي گيرد.
1- افزايش تعداد هسته هاي يوتكتيكي
2- كاهش تبريدي (كاهش مادون انجماد)
استفاده از مواد جوانه زا براي توليد چدن نشكن موجب تشكيل مراكز هسته سازي براي رسوب گرافيت مي گردد و با بودن اين مراكز در طول انجماد رسوب گرافيت آسانتر انجام مي گيرد. وجود هسته هاي گرافيت به تعداد كافي يكي ار عوامل مهم براي جلوگيري از پديده مادون انجماد
(Undercooking) مي باشد. بدون وجود هسته ها، كاربيدها مي توانند در قطعات تشكيل شوند. وجود كاربيد ها موجب نامرغوبي چدن از ديدگاه قابليت نشكن بودن و ماشينكاري مي گردد. علاوه بر آن، گرافيتي كه از تجزيه بعدي كاربيد ها به وجود مي آيد، ممكن است داراي شكل نامنظم باشد. چنانچه تلقيح مواد بشكل مناسب انجام پذيرد. معمولاً هسته هاي كافي براي انجام عمليات تشكيل مي گردد. بطور كلي هسته سازي بيشتر كاربيدها در طول انجماد كمتر بوده است.
در حقيقت چنانچه بخواهيم قطعات چدن نشكن مي باشد و با انجام اين كار ساختار در چدن نشكن ريخته شده، قطعاتي با خواص مكانيكي مناسب خواهيم داشت. اين خواص عبارت است از: استحكام كشش و تسليم، قابليت انعطاف پذيري و مقاومت به ضربه مي باشند.
5-1 انجماد و مكانيزم كروي شدن گرافيت در چدن نشكن:
در انجماد چدن با گرافيت ورقه اي، يوتكتيك گرافيت و آستنيت تشكيل مي شود. در انجماد، اين يوتكتيك و گرافيت و آستنيت با مذاب در تماس است. رشد دندريت هاي آستنيت و هسته هاي گرافيت ورقه اي تا زماني كه ذوب كاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد يوتكتيك گرافيت در چدن نشكن نسبت به چدن با گرافيت ورقه اي در دماي بالاتري شروع مي شود. در حين انجماد چدن نشكن، پوسته اي از آستنيت پيرامون گرافيت كروي تشكيل مي شود. و بهمين علت، فقط فاز آستنيت با مذاب در تماس خواهد بود و چنين انجماد انجمادي را نيويوتكتيك مي نامند هر واحد
گرافيت كروي و پوسته آستنيت دور آن را مي توان يك هسته در نظر گرفت كه كربن بايد به داخل اين هسته نفوذ كند تا رشد گرافيت كروي و پوسته آستنيت دور آن را به انجماد چدن خاكستري، با سرعت كمتري انجام مي شود و با شروع انجماد نيويوتكتيك هسته سازي گرافيت كروي به اتمام مي رسد بنابراين تعداد گرافيتهاي كروي در مرحله اول انجماد تعيين مي شود. با ادامه انجماد تا دماي يوتكتيك گرافيتهاي داخل پوسته هاي آستينيتي به رشد خود ادامه خواهند داد.
تعداد و ميزان كروي شدن گرافيتها بر روي خواص چدن نشكن تأثير بسزايي دارد. وقتي تعداد هسته يا پوسته هاي آستنيت كم باشد، مناطق براي نفوذ كردن به داخل پوسته آستنيت كمتر شده، و نتيجتاً تعداد گرافيت هاي كروي كاهش مي يابد. بسته به فرايند توليد احتمال ايجاد گرافيت ورقه اي يا كروي ناقص و يا سمنتيت وجود دارد.
شكل شماره 1-1 انجماد يوتكتيكي را با منحني خنك شدن بررسي مي كند.
شكل 1-1 منحني انجماد ايده آل واقعي چدن نشكن
فصل دوم:
مروري بر منابع
مروري بر منابع
1-2) تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن
خواص مكانيكي چدنهاي نشكن بستگي به مشخصات ريز ساختار آنها دارد. قسمتي از اين ريز ساختار (شكل، اندازه و نحوة توزيع گرافيت) پس از انجماد و يا به عبارتي پس از تغيير حالت يوتكتيك و قسمتي ديگر يعني ساختار زمينه كه نقش عمده را در تعيين خواص مكانيكي چدن نشكن دارا مي باشد، پس از تغيير حالت يوتكتوئيد شكل مي گيرد ]7-1[ و از نيرو مي توان تأثير عناصر آلياژي بر روي خواص مكانيكي چدنهاي نشكن را به اثر آنها بر تغيير حالت يوتكتوئيد و مسائل سينتيكي آن داراي اهميت زيادي مي باشد.
بررسي تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنها نسبت به فولادها پيچيده تر است. زيرا بر خلاف فولادها كه واكنش فراپايدار « » در آنها واكنش غالب است، در چدنها اين تغيير حالت بوسيلة هر دو واكنش پايدار « »كه منجر به تشكيل فريت و گرافيت مي شود و واكنش فرا پايدار « » كه منجر به تشكيل پرليت مي شود صورت مي پذيرد ]5-1[. بنابراين چون تغيير حالت صورت مي پذيرد، بايد با در نظر گرفتن سينتيك رشدي كه هر دو واكنش را در برداشته باشد مورد بررسي قرار گيرد ]2[
.
به دليل طبيعت چند جزيي چدنها، واكنشهاي پايدار و فراپايدار در يك درجه حرارت ثابت انجام نمي شوند. بلكه در يك محدودة دمايي صورت مي پذيرند. محدودة دمايي انجام اين واكنشها بستگي به تركيب شيميائي آستنيت داشته و بوسيلة عناصر آلياژي تحت تأثير قرار مي گيرد. ضمناً محدودة دمايي انجام هر يك از اين دو واكنش مي تواند بر روي هم قرار گيرد. ]7 و 6 و4[.
همانطور كه قبلاً نيز اشاره شد اين واكنشها حالت رقابتي دارند، بطوريكه در خلال سرد كردن آهسته از ميان محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، فريت در دماهاي بالاتر تشكيل شده و به رشد خود همراه با رسوب گرافيت ادامه مي دهد. با كاهش بيشتر درجه حرارت و رسيدن به محدودة دمايي تشكيل پرليت، باقيمانده آستنيت به پرليت تبديل مي شود. عامل كنترل كنندة سرعت در هر دو حالت نفوذ اتمهاي كربن در آستنيت است ]14-4[.
شكل 1-2: مقطعي از نمودار تعادليسه تايي Fe – C – Si با 2 درصد سيليسيم ]7[.
شكل 1-2 مقطعي از نمودار تعادلي سه تايي آهن – كربن – سيليسيم با مقدار ثابت 2 درصد سيليسيم را نشان مي دهد. براساس اين نمودار تغيير حالت يوتكوئيد در يك نمونه چدن نشكن با تركيب يوتكتيك را مي توان به صورت زير توضيح داد:
بلافاصله پس از كامل شده انجماد چدن نشكن و درست قبل از رسيدن درجه حرارت به دماي تغيير حالت يوتكتوئيد، ساختار چدن شامل تركيبي از گرافيتهاي كروي در زمينه اي از آستنيت است. ميزان كربن محلول در آستنيت در اين حالت مطابق شكل 1-2 حدود 57/1 درصد مي باد (نقطه E). با ادامه سرد كردن حد حلاليت كربن در آستنيت بطور قابل توجهي كاهش مي يابد، در نتيجه كربن از زمينة آستنيت خارج شده و با مهاجرت اتمهاي كربن از آستنيت به طرف گرافيتهاي كروي، درصد
كربن آستنيت كاهش پيدا مي كند. بطوريكه با رسيدن درجه حرارت به محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، ميزان كربن محلول در آستنيت به حدود 67/0 درصد مي رسد (نقطه S). تحت اين ظرايط تغيير حالت يوتكتوئيد آستنيت به «فريت + گرافيت» در يك محدودة دمايي بين درجه حرارتهاي صورت مي گيرد ]شكل 1-2[.
1-1-2) تشكيل حلقه هاي فريت در اثر تجزيه آستنيت
با كاهش درجه حرارت از درجه حرارت پايداري آستنيت به زير درجة حرارتي كه در آن تغيير حالت يوتكتوئيد به وقوع مي پيوندد، آستنيت از نظر ترموديناميكي ناپايدار مي شود. در اين حالت واكنش پايدار« »نياز به جوانه زني فريت در فصل مشترك
«آستنيت – گرافيت» دارد. جوانه زني و رشد فريت بايستي با پس زدن اتمهاي كربن از حجم استحاله كردة آستنيت همراه باشد، زيرا حلاليت كربن در فريت بمراتب كمتر از آستنيت است. كربن پس زده شده از آستنيت به سمت گرافيتهاي كروي نفوذ مي كند. در حقيقت اين گرافيتها كه قبل از تغيير حالت يوتكتوئيد شكل گرفته اند (گرافيتهاي پرويوتكتوئيد) بعنوان يك نوع بانك كربن عمل مي كنند، بطوريكه اتمهاي كربني را كه در خلال تشكيل فريت از ساختار زمينه پس زده مي شوند، مي پذيرند و اتمهاي كربن لازم را در خلال تشكيل آستينت در حين عمليات آستنيته كردن فراهم مي كنند ]7[.
تشكيل فريت بستگي به سرعت نفوذ كربن در ساختار زمينه دارد. در مرحلة جوانه زني نفوذ در فاز آستنيت صورت مي گيرد در حاليكه به محض تشكيل حلقه هاي فريت پيرامون گرافيتهاي كروي، نفوذ كربن بايستي از ميان حلقه هاي فريت صورت گيرد. در يك درجه حرارت ثابت سرعت نفوذ كربن در فريت حدود 10 برابر سرعت نفوذ كربن در آستنيت است ]7 و 4[ در نتيجه نفوذ كربن در آستنيت عامل كنترل كنندة سرعت مي باشد. سرعت نفوذ كربن در آستنيت با كاهش درجه حرارت بصورت نمائي كاهش مي يابد و بطور كلي با حضور عناصر آلياژي در چدن نيز كاهش پيدا مي كند ]9و4و2و1[.
طرح ارائه شده در شكل 2-2 به درك بهتر مطالبي كه در بالا به آن اشاره شد كمك مي كند ]7[.
شكل 2-2: الف – طرحي از يك گرافيت كروي در زمينه اي از آستنيت، درست پيش از تجزيه آستنيت
ب- طرحي از تشكيل حلقه فريت پيرامون گرافيت كروي در خلاق تجزيه آستنيت ]7[.
در شكل (الف) 2-2 فرض بر اين است كه شعاع گرافيت كروي قبل از تغيير حالت يوتكتوئيد آستنيت برابر g0 است و تركيب شيميائي آستنيت يكنواخت بوده و داراي 65/0 درصد كربن است. در شكل (ب) 2-2 نشان داده شده كه با شروع تغيير حالت يوتكتوئيد حلقه اي از فريت به شعاع f1 بدور
گرافيت كروي تشكيل شده و در اثر رسوب كربن بر گرافيت كروي، شعاع گرافيت كروي از g0 به g1 افزايش پيدا مي كند. در اين حالت مقدار كربن فريت از حدود 02/0 درصد در فصل مشترك «آستنيت – فريت» تا حدود 01/0 درصد در فصل مشترك «گرافيت – فريت» تغيير مي كند. اين اختلاف غلظت، شيب غلظتي لازم كه در حقيقت همان نيروي محركة لازم براي نفوذ كربن از ميان حلقة فريت و از فصل مشترك «آستنيت – فريت» به سمت گرافيت كروي مي باشد را فراهم مي كند. ادامة رسوب كربن و رشد گرافيتهاي كروي را احاطه كرده اند، دارد. اين عمل توسط خود نفوذي اتمهاي آهن در داخل پوستة فريت انجام مي گيرد و مكانيزم آن بر اساس حركت جاهاي خالي
استوار است ]15-8 و 5-1[. مكانيزم خود نفودهاي اتمهاي آهن در داخل پوستة فريت مي تواند بعنوان يك عامل كنترل كنندة سرعت نيز به حساب آيد ولي اين موضوع هنر بطور تجربي تحقيق نشده است ]2[.
پس از تشكيل و رشد حلقه هاي فريت در اطراف گرافيتهاي كروي، با كاهش درجه حرارت، باقيماندة آستنيت با توجه به عواملي همچون سرعت سرد كردن، تركيب شيميائي و ساير عوامل مؤثر به پرليت تغيير حالت پيدا مي كند. رشد بيشتر حلقه هاي فريت مي تواند با تجزيه سمنتيت « » در فصل مشترك «فريت – پرليت» و نفوذ كربن به سطح گرافيتهاي كروي صورت مي گيرد ]12و7[.
بطور كلي عوامل مؤثر بر رشد حلقه هاي فريت را مي توان بصورت زير خلاصه نمود ]7[.
1- عواملي كه بر نفوذ گربن در آستنيت و يا فريت تأثير مي گذارند.
2- ساختار كريستالوگرافيكي مناسب براي گرافيت كه اتمهاي كربن را قادر مي سازد با رسوب بر گرافيتهاي موجود از نياز به جوانه زني مستقل گرافيت در آستنيت كه احتياج به انرژي اكتواسيون بالايي دارد اجتناب شود. رسوب كربن بر گرافيت ترجيهاً با پيوستن اتمهاي كربن موجود در آستنيت بر صفحات قاعده گرافيت صورت مي گيرد. در گرافيت هاي كروي اين صفحات به آساني در دسترس قرار دارند، چرا كه صفحات قاعده در گرافيت كروي عمود بر شعاع آن و در تمامي سطح گرافيت توزيع شده اند. ولي در گرافيت ورقه اي اين صفحات به آساني قابل حصول نيستند. به همين علت تمايل به تشكيل فريت در چدنهاي نشكن در شرايط يكسان از نظر تركيب شيميايي و سرعت سرد كردن بمراتب بيش ار چدنهاي خاكستري است.
3- درجه حرارت جوانه زني براي تشكيل پرليت.
4- درجه حرارت جوانه زني براي تشكيل فريت.
5- سرعت سرد كردن كه تعيين كنندة زمان لازم براي تغيير حالت آستنيت به فريت و گرافيت قبل از شرع تغيير حالت آستنيت به پرليت است.
2-1-2) تشكيل پرليت در اثر تجريه آستنيت
تشكيل پرليت از آستنيت نيز بوسيلة مكانيزم جوانه زني و رشد صورت مي گيرد. فاصلة نفوذ اتمهاي كربن در پرليت بمراتب نسبت به همين فاصله در فريت كوتاهتر است، كاهش فاصلة نفوذ مربوط به ساختار لايه اي پرليت و كاهش فضاي لايه اي در اثر افزايش سرعت انجماد است ]13و7و4[.
تشكيل پرليت از آستنيت در دماهاي پايين تري نسبت به تشكيل فريت صورت مي گيرد. درجه حرارت تشكيل پرليت بوسيلة مقدار و نوع آلياژي موجود تحت تأثير قرار مي گيرد. بنابراين در يك سرعت سرد كردن ثابت فضاهاي بين لايه هاي پرليت بستگي به تأثير عناصر آلياژي بر درجه حرارت تغيير حالت آستنيت به پرليت دارد ]10[.
تشكيل پرليت غالباً در مرز دانه هاي آستنيت و در نواحي بين سلولي ريز ساختار كه در اثر جدايش در خلال انجماد داراي درصد بيشتري از عناصر آلياژي هستند آغاز مي شود، ولي جوانه زني و رشد پرليت مي تواند، بر آخالهاي موجود در آستنيت و در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» نيز صورت
گيرد ]14و7و4[. در اثر افزايش سرعت سرد كردن يا با حضور برخي از عناصر آلياژي سرعت نفوذ اتمهاي كربن در آستنيت كاهش مي يابد، در نتيجه آستنيت در برخي از نواحي خاص مثلاً در مرز دانه ها بصورت فوق اشباع از كربن در آمده و شرايط براي جوانه زني لايه هاي سمنتيت در اين محلها فراهم مي شود. در پي آن با كاهش درصد كربن در مجاورت لايه هاي سمنتيت شرايط براي جوانه زني فريت فراهم شده و اين رشد متناوب لايه هاي فريت و سمنتيت ادامه مي يابد تا ساختار پرليتي شكل گيرد ]13و7و4[.
2-2) اثر مس، بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن
همان گونه كه قبلاً نيز اشاره شد چون ساختار زمينة چدنهاي نشكن در خلال تغيير حالت يوتكتوئيد شكل مي گيرد، اثر عناصر آلياژي بر ريز ساختار و در نتيجه خواص مكانيكي چدنهاي نشكن را مي توان به اثرات اين عناصر بر تغيير حالت يوتكتوئيد مرتبط ساخت. در اين باره پژوهشگران مختلف سعي بر اين داشته اند تا با انجام آزمايشات گوناگون به تشريح مكانيزمهاي اثر گذاري عناصر آلياژي بر
سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد بپردازند. تا بر پايه اطلاعات بدست آمده از اين آزمايشات، استفاده بهينه و مناسب از عناصر آلياژي به منظور بهبود خواص مكانيكي چدن نشكن امكان پذير گردد. در اين قسمت مروري بر مجموعه اي از نظرات موجود در رابطه با نحوة اثرگذاري عنصر مس بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد صورت خواهد گرفت.
افزايش عنصر مس منجر به افزايش درصد پرليت در ساختار زمينة چدنها مي گردد. به همين دليل اين عناصر بعنوان پرليت زا شناخته مي شوند. عناصر پرليت زا اصطلاحاً به عناصري گفته مي شود كه باعث غلبه تغيير حالت فراپايدار« » بر تغيير حالت پايدار « » مي گردند ]3-1[. هر يك از عناصر
پرليت زا مي توانند به نحوي باعث غلبه تغيير حالت فراپايدار و تشكيل پرليت گردند. بر اين اساس اينگونه عناصر را مي توان به چند گروه تقسيم بندي نمود. عناصري نظير كرم، منگنز و واناديم عناصري كاربيد زا هستند. از اينرو افزايش مقدار كمي از اين عناصر باعث تشكيل كاربيدهايي به شكل (Fe,X)3C مي شود كه از نظر ترموديناميكي نسبت به كاربيد آهن (Fe3C) پايدار تر مي باشند. در حقيقت اين عناصر با تشكيل كاربيد هاي مركب باعث پايداري سمنتيت شده و به اين وسيله باعث پايداري پرليت مي شوند ]7و4و1[.
گروه ديگري از عناصر پرليت زا شامل عناصري نظير آرسنيك، قلع و آنتيموان هستند. در رابطه با اين عناصر نظرات مختلفي وجود دارد و اثر آنها بر تحول يوتكتوئيد هنوز كاملاً شناخته شده نيست. در مقابل عده اي معتقدند اين عناصر در تحول يوتكتوئيد شركت نمي كنند، Grigorovech (16) معتقد است اين عناصر كه نسبت به آهن الكتروپزتيوتر هستند،
كاربيدهاي به شكل (X,C) بوجود آورده و باعث پايداري سمنتيت مي شوند گزارشات مربوط به پايداري بيشتر پرليت در هنگام عمليات آنيل در چدنهايي كه داراي عناصر قلع و آنتيموان هستند نسبت به چدنهايي كه حاوي اين عناصر نيستند اين فرضيه را تأئيد مي كند ]11و2[.
مس با مكانيزمي متفاوت نسبت به قلع و منگنز باعث افزايش درصد پرليت شده و از تشكيل فريت جلوگيري مي نمايد و از اين جهت مي توان آن را در گروه مستقلي جاي داد. اعتقاد بر اين است كه مس مستقيماً در تحول يوتكتوئيد شركت نمي كند ]17و3-1[. در اثر جدايش و تجمع مس در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» سدهاي نفوذي مقاومي در مقابل نفوذ اتمهاي كربن به طرف گرافيتهاي كروي ايجاد شده و در نتيجه ضمن اينكه از انجام واكنش « » جلوگيري بعمل مي آيد، در اثر افزايش درصد در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» شرايط براي جوانه زني و رشد پرليت فراهم مي شود ]25-17 و11و4-1[.
تقسيم بندي عناصر آلياژي به عناصر كاربيدزا و گرافيت زا در رابطه با توجيه مكانيزمهاي مؤثر در تغيير حالت يوتكتوئيد مي تواند مفيد واقع شود. در اين رابطه Grigorovech كوشيد تا خاصيت كاربيد زايي، گرافيت زايي يا اثرات دوگانة عناصر آلياژي را به موقعيت آنها در جدولي تناوبي مربوط سازد. اندازه شعاع اتمي عناصري كه در جدول تناوبي در همسايگي آهن و در سمت چپ آن قرار دارند، نزديك به شعاع اتمي آهن است. در نتيجه اتمهاي اين عناصر مي توانند وارد شبكة سمنتيت شده و جايگزين اتمهاي آهن گردند و كاربيد هاي نوع C را بوجود آورند. در اثر ورود اتمهاي اين عناصر به
شبكه سمنتيت پيوند بين اتمهاي «آهن – كربن» تقويت شده و استحكام بيشتري پيدا مي كند.
تحقيق جامعي در رابطه با سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن توسط Brown و Hawkws ]11[، صورت گرفت. بخشي از اين تحقيق در رابطه با پديدة گرافيت زايي بود. در اين تحقيق، مشخصات تغيير حالت ايزوترمال چدن نشكني با تركيب 61/3 ردصد كربن، 2/2 درصد سيليسيم، 45/0 درصد منگنز، 07/1 درصد نيكل و 12/0 درصد فسفر مورد مطالعه قرار گرفت. چند نمونه از اين چدن نشكن پس از انجام تغيير حالت ايزوترمال در زمانهاي مختلف كوئنچ شد. و ريز ساختار نمونه هاي كوئنچ شده در زمانهاي مختلف پس از انجام تغيير حالت ايزوترمال مورد بررسي قرار گرفت. جز در درجه حرارتهاي بالا كه فريت در مرز دانه هاي آستنيت تشكيل شد، رشد فريت عموماً بصورت حلقه هايي در اطراف گرافيتهاي كروي صورت پذيرفت. در درجة حرارتهاي بين 722 تا 750 درجة سانتيگراد محصولات تغيير حالت كاملاً فريت و گرافيت بودند. در درجة حرارتهاي زير 722 درجة سانتيگراد رشد پرليت مشاهده شد.
Brown و Hawkes مطالعات خود را بر روي سينتيك رشد حلقه هاي فريت با فرض يك شيب خطي براي نفوذ كربن و روشهاي آناليز رياضي ادامه دادند. نتيجه اين مطالعات اين بود كه رشد حلقه هاي فريت پديده اي مي باشد كه توسط نفوذ اتمهاي كربن كنترل مي شود. ضمناً اين افراد عناصر آلياژي مختلف را با توجه به اثر آنها بر ريز ساختار چدن نشكن به عناصر كاربيدزا و گرافيت زا تقسيم بندي نمودند. طبق نظر آنها عناصري نظير منگنز، آنتيموان و قلع با توجه به اثريكه بر پايداري سمنتيت دارند باعث پايداري پرليت مي شوند.
Johnson و Kovacs ]1[، به منظور بررسي اثرات منگنز، آنتيموان و قلع بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن دست به تحقيقاتي زدند. به منظور مقايسه ابتدا فرآيند تغيير حالت در يك نمونه چدن نشكن بدون عناصر آلياژي مزبور در خلال تغيير حالت ايزوترمال آستنيت توسط متالوگرافي نوري مورد مطالعه قرار گرفت. سپس اثر عناصر آلياژي بر تغيير حالت يوتكتوئيد بوسيلة
تكرار استحالة ايزوترمال در نمونه هايي كه هر يك از آنها شامل يكي از اين سه عنصر بودند مطالعه گرديد. بعلاوه نقش مرزهاي بين فازي «گرافيت – زمينة فلزي» در استحاله با بررسي تركيب شيميائي فصل مشترك «گرافيت كروي – زمينة فلزي» توسط روش «Scanning Auger microprob» بررسي شد. بر اساس نتايج حاصل از اين تحقيقات منگنز بنا به علل زير مي تواند بر روي سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد تأثير بگذارد ]1[.
1- منگنز باعث كاهش واكنش پايدار « »، واكنش فراپايدار « » و تجزيه سمنتيت « » مي شود كه اين خود ناشي از ايجاد وقفه در مراحل ابتدايي (مرحلة جوانه زني) تغيير حالت هاي فوق مي باشد. بنابراين منگنز باعث كاهش سرعت جوانه زني فريت و سمنتيت مي گردد.
2- قسمتي از اثرات منگنز مربوط به اين است كه اين عنصر به سادگي جايگزين اتمهاي آهن در سمنيت شده و اين جانشيني باعث افزايش پايداري سمنتيت مي شود كه اين پايداري خود بدليل افزايش استحكام پيوندهاي Fe_C مي باشد.
3- منگنز بطور اساسي باعث كاهش نفوذپذيري كربن در فريت مي گردد اين امر سرعت انتقال كربن را از كاربيد هاي تجزيه شده كاهش مي دهد. بنابراين باعث سرعت رشد فريت مي شود.
بر طبق همين تحقيقات ]1[ افزايش آنتيموان (08/0 درصد)يا قلع (12/0 درصد) از واكنش « » و تجزيه سمنتيت جلوگيري مي كند. آناليزهاي انجام شده توسط روش «Scanning Auger microprob» نشان داد كه قلع و آنتيموان در خلال انجماد در مرزهاي بين فازي «آستنيت – گرافيت» تجمع مي كنند و لايه هاي غني از اين عناصر را در اين نواحي بوجود مي آورند. اين لايه هاي غني جذب شده در فصل مشترك. «آستنيت – گرافيت» بعنوان سدي در مقابل نفوذ اتمهاي كربن كه لازمة واكنش پايدار « » و تجزيه سمنتيت« » مي باشد، عمل مي كنند
.
شكل 3-2: طرحي از سدهاي نفوذي در اطراف گرافيتهاي كروي ]1[
Johnson و Kovacs در ادامة تحقيقات خود براساس قوانين فيك به تشريح طبيعت سدهاي نفوذي حاصل از لايه هاي غني از قلع و آنتيموان در اطراف گرافيتهاي كروي پرداختند.
در رابطه با نحوة اثر گذاري مس بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد نيز تقريباً در تمامي مقالات به تئوري سدهاي نفوذي اشاره شده است ]25-17 و 3-1[.
De Sy ]17[، معتقد است برخلاف آنچه در بسياري از مقالات فني انتشار يافته مبني بر اينكه مس يك عنصر پايدار كننده پرليت است، صحيح تر است كه گفته شود مس يك عنصر «پرليت زا» و يا بازهم صحيح تر است كه گفته شود مس «ضد فريت زا» مي باشد. همانگونه كه در قسمتهاي قبل نيز اشاره شد، در خلال سرد كردن چدن از مرحلة انجماد تا درجه حرارت محيط، فريت آزاد براساس دو مكانيزم زير امكان شكل گيري دارد:
1- فريت زايي مستقيم بر اساس واكنش:«گرافيت + فريت آستنيت»
2- فريت زايي غير مستقيم بر اساس واكنش «گرافيت + فريت پرليت آستنيت»
و يا فريت زايي و گرافيت زايي در نتيجه تجزيه پرليت.
شكل 4-2 مقطعي از نمودار تعادلي سيستم آهن – كربن سيليسيم با 2 درصد سيليسيم و 3 درصد كربن را نشان مي دهد ]17[.
شكل 4-2: مقطعي از نمودار تعادلي سه تايي Fe-C-Si ]17[.
با توجه به شكل فوق مشاهده مي شود كه انتقال مستقيم آستنيت به فريت و گرافيت حد فاصل تا صورت ني گيرد. براساس واكنش پايدار چنانچه يك نمونة چدني را در اين محدودة دمايي در زمانهاي طولاني نگهداري نمائيم. تحول پايدار« » بطور كامل انجام مي گيرد. مكانيزم عمل فوق در شكل 5-2 نشان داده شده است.
شكل 5-2: طرحي از مكانيزم تجزيه آستنيت و تشكيل حلقه هاي فريت ]17[.
با توجه به شكل 5-2 مي توان دريافت كه واكنش ابتدا در مرز مشترك آستنيت – گرافيت آغاز مي شود و بتدريج هاله اي از فريت اطراف گرافيت را مي گيرد. از اين مرحله به بعد نه تنها فريت در اطراف فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» رسوب مي كند. بلكه كربن نيز از داخل لايه هاي فريت به طرف گرافيت نفوذ مي كند.
حال با توجه به اين مطالب بايد ديد كه مس چگونه مي تواند بر سينتيك اين واكن تأثير نهاده و باعث كاهش سرعت تغيير حالت پايدار « » شود. در اين باره گفته شده كه مس يك پايدار كنندة آستنيت است و باعث كاهش درجه حرارت تغيير حالت آستنيت به پرليت مي شود. در نتيجه در طول واكنش فريت زايي « » و در محدودة دمايي تا (شكل 4-2) مس در آستنيت تجمع پيدا مي كند و باعث افزايش پايداري آستنيت شده و به همين علت باعث كاهش سرعت واكنش مي شود.
در حقيقت با پايداري آستنيت درجه حرارت تجزيه آن به دماهاي پايين تري انتقال مي يابد (محدودة دمايي تا در شكل 4-2). در نتيجه در اين محدودة دمايي آستنيت به ناچار مطابق واكنش فراپايدار به پرليت تبديل مي شود. نكته اساسي كه در اينجا وجود دارد اين است كه اثر بر پايدارسازي
آستنيت نمي تواند از اهميت چنداني در رابطه با خاصيت ضد فريت زايي آن برخوردار باشد، چرا كه تأثير نيكل در پايدار سازي آستنيت و كاهش درجه حرارت تجزيه آن بيش از مس مي باشد در حاليكه اين عنصر در عمل ممانعت زيادي در جلوگيري از تشكيل فريت نمي نمايد. بنابراين در جهت توضيح خاصيت ضد فريت زايي مس به تئوري جامع تري نياز است در اين رابطه اكثر پژوهشگران به تئوري «سدهاي نفوذي»اشاره كرده اند.
DeSy معتقد است مس بر خلاف نيكل به آهستگي در آستنيت نفوذ مي كند و در فصل مشترك «آستنيت – فريت» بصورت انباشته در مي آيد و به اين ترتيب يك سد نفوذي را ايجاد مي نمايد. اين سد هاي نفوذي از رسوب اتمهاي كربن بر گرافيتهاي كروي جلوگيري مي كنند. بنابراين مس بجاي اينكه مستقيماً تشكيل پرليت را جلو بياندازند در جهت به تعويق انداختن تشكيل فريت و جلوگيري از تغيير حالت پايدار « » فعاليت مي كند، در نتيجه شرايط براي تشكيل پرليت مساعد تر مي شود. تئوري سد هاي نفوذي توسط روشهاي تفريق اشعه X و يا فلورانس اشعه X و ساير روشهاي متالوگرافي پيشرفته نظير «Auger microprob Scanning» مورد تائيد قرار گرفته است ]1[.
2-2) اثر مس، بر منحني هاي سرد كردن
شكل 6-2 اثر مس،را بر منحني هاي سرد كن چدن نشكن نشان مي دهند. با توجه به اين شكل مشاهده مي شود كه مس باعث كاهش درجه حرارت توقف تغيير حالت يوتكتوئيد مي شوند.
شكل 7-2 اثر مس و منگنز بر محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، و بر دماهاي بالايي و پاييني اين محدوده را نشان مي دهد. ]3[ با توجه به اين شكل مشاهده مي شود كه مس و منگنز باعث كاهش محدودة دمايي درجه حرارت تغيير حالت يوتكتوئيد مي شوند. همچنين با توجه به همين
شكل مي توان ديد كه افزايش مس در مقادير بيش از 5/1% تأثيري بر محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد ندارد. اين موضوع احتمالاً به علت حد حلاليت مس در آهن و كاهش حلاليت براي هر 1 درصد منگنز حدود 30 درجه سانتيگراد كاهش مي يابد. بنابراين اثر منگنز در كاهش درجه حرارت يوتكتوئيد بيش از مس مي باشد. ]3[.
با افزايش درصد قلع برخلاف آنچه در مورد مس مشاهده شد (شكل 9-2)، حد پائيني محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد افزايش مي يابد، به عبارت ديگر قلع باعث افزايش درجه حرارت تغيير حالت آستنيت به پرليت مي شود ]3[.
شكل 8-2 نيز نتايج حاصل از تحقيقات Loper ,lou ,Pan ]3[ را در رابطه با اثر مس بر منحني هاي سرد كردن نشان مي دهد.
شكل 6-2: منحني سرد كردن نمونه هايي از چدن نشكن با درصد هاي مختلفي از مس ]2[.
شكل 7-2: تغييرات محدوده دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد برحسب درصد در مقادير مختلفي از منگنز ]3[.
شكل 8-2: اثر مس بر منحني سرد كردن در محدودة تغيير حالت يوتكتوئيد ]3[
شكل 9-2 اثر مس يا قلع را بر زمانهاي شروع و پايان تغيير حالت يوتكتوئيد نشان مي دهد ]3[. همانگونه كه مشاهده مي شود با افزايش قلع زمان پايان تغيير حالت يوتكتوئيد به سمت چپ يا به عبارتي به سمت زمانهاي كوتاهتر انتقال مي يابد. بنابراين مي توان گفت قلع باعث تسريع در تجزيه
آستنيت در خلال تغيير حالت يوتكتوئيد مي شود. از طرف ديگر با توجه به همين شكل مشاهده مي شود كه افزايش مس درجه حرارتهاي شروع و پايان تغيير حالت يوتكتوئيد را به سمت راست يا به عبارتي به سمت زمانهاي طولاني تر سوق مي دهد.
بنابراين مس باعث تأخير در تغيير حالت يوتكتوئيد و و تجزيه آستنيت مي گردد]3[.
